Nghiên cứu khả năng ứng dụng sợi basalt trong chế tạo vỏ tàu
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.12 MB, 79 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
------------------------
MAI ĐÌNH NAM
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SỢI BASALT
TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU COMPOSITE
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHÁNH HÒA - 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
------------------------
MAI ĐÌNH NAM
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SỢI BASALT
TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU COMPOSITE
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành:
Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số:
60520116
Quyết định giao đề tài:
940/QĐ-ĐHNT ngày 26/9/2014
Quyết định thành lập HĐ:
01/12/2015
Ngày bảo vệ:
Người hướng dẫn khoa học:
TS. TRẦN DOÃN HÙNG
Chủ tịch Hội đồng:
PGS. TS. TRẦN GIA THÁI
Khoa sau đại học:
KHÁNH HÒA - 2015
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: ‘‘nghiên cứu khả năng ứng dụng sợi
basalt trong chế tạo vỏ tàu composite’’ là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi và
chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này.
Khánh Hòa, Ngày
tháng
năm
Tác giả luận văn
Mai Đình Nam
i
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này:
Trước hết tôi xin gửi tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban Chủ
nhiệm Khoa Kỹ thuật giao thông niềm kính trọng, sự tự hào được học tập tại trường
trong những năm qua.
Sự biết ơn sâu sắc nhất tôi xin được dành cho TS. Trần Doãn Hùng đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt
quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Đặc biệt xin được ghi nhớ và chân thành cảm ơn tới TS. Nguyễn Văn Đạt – Viện
trưởng, Viện nghiên cứu và chế tạo Tàu thủy – Trường Đại học Nha Trang cùng các
cán bộ của Viện đã giúp đỡ nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi về vật liệu, dụng cụ,
trang thiết bị cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin được cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong Khoa Kỹ thuật giao
thông, xưởng Cơ khí, Trung tâm Thí nghiệm Thực hành Trường Đại học Nha Trang đã
giúp đỡ nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi về thiết bị cho tôi trong suốt quá trình.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân và các bạn bè đã tạo điều kiện,
động viên khích lệ để tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập vừa qua cũng
như thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Khánh Hòa, Ngày
tháng
năm
Tác giả luận văn
Mai Đình Nam
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC KÍ HIỆU ...................................................................................................vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ..................................................................................ix
Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................ 1
1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu ............................................................................1
1.2. Tình hình nghiên cứu đối với vần đề đặt ra ..........................................................2
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................2
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ...................................................................5
1.3. Mục tiêu, phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu ...................................5
1.3.1. Mục tiêu và mục đích nghiên cứu...................................................................5
1.3.2. Nôi dung nghiên cứu và bố cục của đề tài ......................................................5
1.3.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................6
1.3.3.1. Nghiên cứu lý thuyết ................................................................................6
1.3.3.2. Nghiên cứu thực nghiệm ..........................................................................6
1.3.4. Giới hạn nội dung nghiên cứu ........................................................................7
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT BỊ ............................................................8
2.1. Vật liệu composite.................................................................................................8
2.1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite ..........................................................8
2.1.2. Định nghĩa và phân loại ..................................................................................8
2.1.3. Tính chất vật liệu composite .........................................................................10
2.1.4. Công nghệ chế tạo vật liệu composite ..........................................................11
2.1.5. Một số yếu tố ảnh hưởng tới độ bền của vật liệu composite ........................18
2.1.6. Công dụng và ưu nhược điểm của vật liệu composite ..................................19
2.2. Vật liệu nền .........................................................................................................20
2.2.1. Phân loại .......................................................................................................20
2.2.1.1. Nhựa vinylester ......................................................................................20
2.2.1.2. Nhựa epoxy ............................................................................................ 20
iii
2.2.1.3. Nhựa phenolic ........................................................................................21
2.2.1.4. Nhựa nhiệt dẻo .......................................................................................21
2.2.1.5. Nhựa polyester .......................................................................................21
2.2.2. Nhựa polyester không no (UPR) ..................................................................22
2.2.2.1. Khái niệm ............................................................................................... 22
2.2.2.2. Ứng dụng ................................................................................................ 23
2.3. Vật liệu cốt ..........................................................................................................23
2.3.1. Khái niệm chung ........................................................................................... 23
2.3.2. Một số vật liệu cốt ........................................................................................23
2.3.2.1. Sợi cácbon .............................................................................................. 23
2.3.2.2. Sợi aramid .............................................................................................. 24
2.3.3. Sợi thủy tinh ..................................................................................................24
2.3.3.1. Tìm hiểu chung về sợi thủy tinh ............................................................. 24
2.3.3.2. Phân loại sợi thủy tinh ............................................................................25
2.3.3.3. Công nghệ chế tạo sợi ............................................................................27
2.3.3.4. Xử lý bề mặt sợi .....................................................................................27
2.3.3.5. Các kiểu dệt sợi thủy tinh .......................................................................27
2.3.3.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của sợi thủy tinh ........................... 28
2.3.4. Sợi basalt .......................................................................................................30
2.3.4.1. Định nghĩa .............................................................................................. 30
2.3.4.2. Phân loại .................................................................................................31
2.3.4.3. Nguồn nguyên liệu .................................................................................32
2.3.4.4. Ứng dụng của sợi basalt .........................................................................33
2.3.4.5. Sản xuất sợi basalt ..................................................................................34
2.4. Một số quy phạm, quy chuẩn hiện hành ............................................................. 37
2.4.1. Quy chuẩn so sánh ........................................................................................37
2.4.2. Quy phạm chế tạo thử nghiệm ......................................................................37
2.5. Thiết bị thử nghiệm ............................................................................................. 37
Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..........................................................................41
3.1. Lựa chọn tổ hợp vật liệu .....................................................................................41
3.1.1. Vật liệu nền ...................................................................................................41
3.1.2. Vật liệu cốt ....................................................................................................41
iv
3.2. Chế tạo mẫu thử ..................................................................................................42
3.3. Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu...............................................45
3.3.1. Độ bền kéo ....................................................................................................45
3.3.2. Độ bền uốn ....................................................................................................51
3.3.3. Độ bền nén ....................................................................................................57
3.3.4. Độ bền va đập ............................................................................................... 59
3.3.5. Độ mài mòn ..................................................................................................60
3.3.6. Độ hấp thụ nước............................................................................................ 61
3.4. So sánh chỉ tiêu kinh tế .......................................................................................62
Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................64
4.1. Kết luận ...............................................................................................................64
4.1.1. Chỉ tiêu cơ tính ............................................................................................. 64
4.1.2. Chỉ tiêu kinh tế............................................................................................. 64
4.2. Kiến nghị .............................................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 65
v
DANH MỤC KÍ HIỆU
b:
Chiều rộng
H:
Độ hấp thụ nước
l:
Chiều dài
M:
Độ mài mòn
MK :
Mô đun đàn hồi kéo
MU :
Mô đun đàn hồi uốn
MN :
Mô đun đàn hồi nén
P1 :
Phương 1
P2 :
Phương 2
t:
Chiều dày
W:
Khối lượng
WR120 :
Sợi thủy tinh trọng lượng 120 g/m2
WR800 :
Sợi thủy tinh trọng lượng 800 g/m2
σK :
Ứng suất kéo
σU :
Ứng suất uốn
σN :
Ứng suất nén
vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
A:
Alkali glass (Sợi thủy tinh kiềm)
BGTVT :
Bộ Giao thông vận tải
C:
Chemical glass (Sợi thủy tinh chịu axit)
E:
Electrical glass (Sợi thủy tinh có đặc tính cách điện cao)
FRP :
Fibreglass reinforced plastics (Chất dẻo cốt sợi thủy tinh)
KQ :
Kết quả
QCVN :
Quy chuẩn Việt Nam
TB:
Trung bình
TCVN :
Tiêu chuẩn Việt Nam
TT :
Thứ tự
UPR :
Unsaturated Polyester Resin (Nhựa Polyester không no)
vii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Sự so sánh về tính chất giữa các sợi thương phẩm khác nhau ................................... 3
Bảng 1.2. Các tính chất của các sợi gia cường ........................................................................... 4
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của sợi thủy tinh ..................................................................... 26
Bảng 2.2. Đặc tính cơ lý của sợi thủy tinh ............................................................................... 26
Bảng 2.3. Đường kính sợi thủy tinh đơn (Filament) ................................................................ 26
Bảng 2.4. Thành phần hóa học của những tảng đá thích hợp cho sản xuất sợi basalt ........................ 32
Bảng 3.1. Kết quả thử kéo lần 1 ............................................................................................... 46
Bảng 3.2. Tỉ lệ % thực tế nhựa và sợi của mẫu sau khi khô ..................................................... 48
Bảng 3.3. Kết quả thử kéo lần 2 ............................................................................................... 49
Bảng 3.4. Kết quả thử uốn lần 1 ............................................................................................... 52
Bảng 3.5. Kết quả thử uốn lần 2 ............................................................................................... 55
Bảng 3.6. Kết quả thử nén ........................................................................................................ 58
Bảng 3.7. Kết quả thử va đập ................................................................................................... 60
Bảng 3.8. Kết quả thử độ mài mòn ........................................................................................... 61
Bảng 3.9. Kết quả đo độ hấp thụ nước ..................................................................................... 62
viii
DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ lăn ép bằng tay ...................................................................12
Hình 2.2. Sơ đồ công nghệ phương pháp lăn ép phun ..................................................13
Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ của phương pháp đúc kéo ..................................................14
Hình 2.4. Sơ đồ công nghệ quấn ống ............................................................................14
Hình 2.5. Sơ đồ công nghệ bơm nhựa vào khuôn .........................................................15
Hình 2.6. Các thiết bị và vật liệu trong công nghệ đúc chân không.............................. 15
Hình 2.7. Sơ đồ công nghệ đúc chân không ..................................................................16
Hình 2.8. Sơ đồ công nghệ phương pháp túi chân không .............................................17
Hình 2.9. Cấu trúc hóa học sợi thủy tinh .......................................................................25
Hình 2.10. Ứng suất kéo và biến dạng kéo của một số loại sợi ....................................28
Hình 2.11. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của hệ lý tưởng ..........................29
Hình 2.12. Ứng suất kéo của nhựa nền, sợi gia cường và vật liệu FRP ........................29
Hình 2.13. Sợi balsalt ....................................................................................................30
Hình 2.14. Sợi basalt dạng xơ .......................................................................................31
Hình 2.15. Vải sợi basalt ............................................................................................... 31
Hình 2.16. Vảy basalt ....................................................................................................32
Hình 2.17. Đá basalt ......................................................................................................32
Hình 2.18: Mỏ đá basalt ................................................................................................ 33
Hình 2.19. Ứng dụng của sợi basalt ..............................................................................33
Hình 2.20. Ứng dụng của sợi basalt ..............................................................................34
Hình 2.21. Quy trình công nghệ sản xuất sợi basalt ......................................................35
Hình 2.22. Quy trình kéo sợi basalt ...............................................................................35
Hình 2.23. Máy kiểm nghiệm cơ tính vạn năng HOUNSFIELD Model H50KS .........38
Hình 2.24. Máy đo sức bền va đập Tinius olsen ........................................................... 38
Hình 2.25. Máy Taber Abraser- 5131 (Mỹ) ..................................................................39
Hình 2.26. Cân phân tích AY200 ..................................................................................39
Hình 2.27. Tủ ấm INE500 ............................................................................................. 40
Hình 3.1. Mẫu thử kéo (a) và uốn (b) ............................................................................42
Hình 3.2. Hình gia công mẫu và tách mẫu cân kiểm tra ...............................................44
Hình 3.3. Vạch dấu cắt và gia công bằng dưỡng mẫu ...................................................44
Hình 3.4. Mẫu kéo và mẫu uốn sau khi gia công ..........................................................45
ix
Hình 3.5. Mẫu nén và mẫu va đập sau khi gia công......................................................45
Hình 3.6. Thử kéo vật liệu ............................................................................................. 46
Hình 3.7. Đồ thị lực kéo lần 1 ( a- Glass, b- Basalt) .....................................................47
Hình 3.8. Mẫu bị phá hủy sau khi thử nghiệm .............................................................. 48
Hình 3.9. Đồ thị lực kéo lần 2 (a- glass, b- basalt(p2), c- basalt(p1)) ........................... 51
Hình 3.10. Thử uốn vật liệu ........................................................................................... 52
Hình 3.11. Đồ thị uốn lần 1 ( a- Glass, b- Basalt) .........................................................53
Hình 3.12. Mẫu bị phá hủy sau khi thử nghiệm uốn .....................................................54
Hình 3.13. Đồ thị lực uốn lần 2(a- glass, b- basalt(p2), c- basalt(p1)) ..........................57
Hình 3.14. Thử nén vật liệu ........................................................................................... 58
Hình 3.15. Đồ thị lực nén .............................................................................................. 59
Hình 3.16. Thử độ bền va đập vật liệu ..........................................................................60
Hình 3.17. Thử nghiệm độ mài mòn của vật liệu ..........................................................61
Hình 3.18. Thử nghiệm độ hấp thụ nước của vật liệu ...................................................62
x
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
Trong ngành công nghiệp chế tạo tàu thủy bằng vật liệu composite, vật liệu gia
cường được sử dụng phổ biến là sợi thủy tinh. Tuy nhiên, sợi thủy tinh được xem là
vật liệu có rất nhiều ảnh hưởng đến sức khỏe của cán bộ kỹ thuật và thậm chí cho
người sử dụng và ảnh hưởng đến môi trường. Gần đây sợi basalt đang được nhiều nhà
nghiên cứu quan tâm, vì sợi basalt có một số ưu điểm hơn so với sợi thủy tinh như: độ
cứng cao, khả năng chịu kéo cao, bền với hóa chất, nhiệt độ, sợi basalt có nguồn gốc
từ tự nhiên nên thân thiện với môi trường và có giá thành hợp lý. Nhưng sợi basalt
chưa được phổ biến tại nước ta và ngành công nghiệp đóng tàu composite hiện nay
vẫn sử dụng sợi thủy tinh làm vật liệu gia cường. Vì vậy việc nghiên cứu khả năng ứng
dụng sợi basalt trong ngành công nghiệp tàu thủy, nhằm nâng cao chất lượng của vật
liệu làm vỏ tàu, giảm thiểu tác hại đến sức khỏe con người khi thi công và ô nhiễm
môi trường là cần thiết. Nghiên cứu này đã xác định độ bền kéo, độ bền uốn, độ bền
nén, độ bền va đập, độ mài mòn và độ hấp thụ nước để so sánh các tính chất cơ học
của vật liệu composite gia cường bằng sợi thủy tinh và sợi basalt trên nền nhựa
polyester không no. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy vật liệu composite gia cường bằng
sợi basalt có cơ tính kém hơn vật liệu composite cốt sợi thủy tinh đang sử dụng làm vỏ
tàu composite hiện nay, tuy nhiên vật liệu composite cốt sợi basalt đáp ứng được yêu
cầu về Quy chuẩn hiện hành cho vật liệu ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu composite. Từ
đó cho thấy khả tiềm năng ứng dụng của sợi basalt trong công nghiệp đóng tàu
composite tại nước ta là có khả thi. Với kiến nghị cần nghiên cứu thêm về vật liệu
composite cốt sợi basalt với nhiều loại khác nhau để đánh giá chính xác hơn về khả
năng ứng dụng sợi basalt trong chế tạo vỏ tàu composite.
Từ khóa: sợi basalt, sợi thủy tinh, vật liệu composite, nhựa polyester không no.
xi
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu
Vật liệu và công nghệ vật liệu đóng một vai trò và ý nghĩa rất quan trọng của các
ngành công nghiệp nói chung và công nghiệp tàu thủy nói riêng, nhất là khi tàu thủy
làm việc trong môi trường phức tạp, chịu mức độ ăn mòn cao.
Cho đến nay, vật liệu dùng chế tạo các loại tàu thông dụng phổ biến là vật liệu
kim loại như thép, hợp kim nhôm hoặc vật liệu phi kim loại như gỗ [8]. Tuy nhiên, các
loại vật liệu truyền thống này thường vẫn còn rất nhiều điểm hạn chế. Các vật liệu kim
loại như thép đảm bảo được nhiệm vụ đặt ra, song thực tế sử dụng cho thấy thép rất dễ
bị ăn mòn trong môi trường nước mặn, thường xuyên bị hàu, hà bám nên chi phí sơn
sửa và bảo dưỡng tàu khá cao. Ngoài ra, thép là một trong những loại vật liệu có trọng
lượng riêng lớn nhất nên tàu vỏ thép còn có nhược điểm là trọng lượng khá lớn, dẫn
đến tiêu hao nhiên liệu lớn, mặt khác gỉ sét và sơn chống gỉ vỏ tàu cũng gây ô nhiễm
môi trường. Vật liệu hợp kim nhôm tuy có thể khắc phục được các nhược điểm của tàu
vỏ thép nhưng giá thành đắt, công nghệ chế tạo phức tạp, cần có máy móc thiết bị hiện
đại [8]. Gỗ là loại vật liệu đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp đóng tàu ở
nước ta hiện nay và chủ yếu là dùng đóng các loại tàu khai thác thủy sản và phục vụ
du lịch tốc độ thấp. Tuy nhiên, hiện nay nguồn gỗ đang cạn kiệt, nếu đóng quá nhiều
tàu bằng gỗ thì nguy cơ phá rừng càng cao, ảnh hường xấu tới môi trường. Cả hai loại
vật liệu truyền thống (thép và gỗ) này khi làm vỏ tàu đòi hỏi quy trình bảo dưỡng rất
nghiêm khắc. Tàu vỏ gỗ thì phải kéo lên bờ định kỳ, với chu kỳ hết sức ngắn tùy thuộc
vào vùng biển, thông thường mỗi năm phải làm vỏ ít nhất hai lần. Yêu cầu thường
xuyên đưa tàu vào ụ hoặc lên đà để bảo dưỡng.
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hiện đại dẫn đến nhu cầu to lớn về những
vật liệu đồng thời có nhiều tính chất cần thiết mà các vật liệu truyền thống khi đứng
riêng rẽ không thể có được. Vật liệu kết hợp hoặc vật liệu Composite ra đời năm 1950
đáp ứng được nhu cầu cấp bách đó, vật liệu Composite được sử dụng trong ngành
công nghiệp tàu thủy là Fibreglass reinforced plastics (FRP). FRP là một tổ hợp giữa
cốt sợi thủy tinh với nhựa polyester không no tỉ lệ trọng lượng nhựa trong thành phần
vật liệu từ 50 đến 70% và sợi thủy tinh chiếm tỉ lệ trọng lượng từ 30 đến 50%. Vỏ tàu
FRP có khả năng chống ăn mòn cao, ít bị hàu, hà bám bẩn nên chi phí bảo dưỡng thấp
và dễ dàng [8].
1
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm nổi trội, tàu chế tạo bằng vật liệu FRP hiện
nay cũng có nhiều nhược điểm và nổi bật nhất là vật liệu cốt sợi thủy tinh khá độc hại
ảnh hưởng đến sức khỏe người thi công [19]. Theo các nghiên cứu của Hiệp hội về
Phổi của Mỹ, bụi sợi thủy tinh là có hại đến hệ thống tuần hoàn, mắt và da, là tác nhân
có thể gây ung thư phổi [9]. Thêm vào đó, thủy tinh là vật liệu rất trơ về môi trường,
cho nên về lâu dài, nếu cứ tiếp tục phát triển tàu composite vỏ FRP sẽ tạo ra một loại
rác công nghiệp có tác động xấu đến môi trường. Từ những trình bày trên đây nhận
thấy, vật liệu Composite dùng trong ngành công nghiệp đóng tàu thủy có rất nhiều ưu
điểm và việc nghiên cứu tìm kiếm loại vật liệu hoặc kết cấu mới để khắc phục những
nhược điểm nêu trên có vai trò và ý nghĩa rất quan trọng.
Sợi basalt là vật liệu có nguồn gốc từ tự nhiên. Theo các nghiên cứu mới đây, sợi
basalt có tính chất vượt trội so với sợi thủy tinh về độ cứng, khả năng chịu kéo rất cao,
bền với hóa chất, nhiệt độ, thân thiện với môi trường, và có một mức giá tương đối
hợp lý [11], [18]. Bên cạnh đó, trên thế giới hiện có khá nhiều công trình nghiên cứu
sợi basalt để thay thế sợi thủy tinh trong nhiều lĩnh vực, và có thể một tương lai không
xa thay thế cả sợi thủy tinh. Điều này cho thấy đây là một loại vật liệu có tiềm năng rất
lớn để nghiên cứu khả năng ứng dụng trong nghành công nghiệp tàu thủy, dẫn đến
nâng cao chất lượng của vật liệu làm vỏ tàu. Từ đó chúng tôi mạnh dạn đề xuất nghiên
cứu sử dụng loại vật liệu Composite mới là tổ hợp giữa cốt sợi basalt với nền nhựa
polyester không no. Tuy nhiên, do đây là vật liệu mới nên để có thể sử dụng được
trong đóng vỏ tàu thì cần giải quyết hàng loạt các vấn đề đặt ra về cơ tính, kích thước,
tính kinh tế… Xuất phát từ lý do trên, tôi quyết định chọn đề tài “nghiên cứu khả
năng ứng dụng sợi basalt trong chế tạo vỏ tàu composite”.
1.2. Tình hình nghiên cứu đối với vần đề đặt ra
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Được hình thành từ đá basalt núi lửa do đó sợi basalt có nhiều đặc tính có lợi.
Bên cạnh có mô đun đàn hồi cao và chịu nhiệt độ cao, sợi basalt còn có tính cách âm
và chống rung rất cao. Với nhiều đặc tính vượt trội thì việc nghiên cứu về ứng dụng
sợi basalt được phát triển mạnh mẽ và vẫn là hướng nghiên cứu được nhiều nhà khoa
học quan tâm.
2
Theo nghiên cứu của Anne Ross, 2006 thì sản phẩm composite cốt sợi basalt
cho đặc tính tương tự như sợi S-2 glass và nó cũng có một mức giá tương đối hợp lý
nằm giữa sợi S-2 glass và sợi E-glass [11].
Theo nghiên cứu của Dr. Richard Parnas và cộng sự, 2007 khi so sánh tính chất
của các sợi thương phẩm phổ biến thì cho thấy sợi basalt có tính chất vượt trội so với
sợi thủy tinh về độ cứng, khả năng chịu kéo rất cao, bền với hóa chất, nhiệt độ, thân
thiện với môi trường [18]. Kết quả chi tiết thể hiện trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Sự so sánh về tính chất giữa các sợi thương phẩm khác nhau [18]
(R. Parnas, M. Shaw, and L. Qiang, “‘Basalt Fiber Reinforced Polymer Composites,’” no. 03, 2007.)
Theo các nghiên cứu mới đây của Kamenny Vek, 2014 thì sợi basalt đơn hướng
có một mô đun kéo cao hơn 15 % và độ bền kéo cao hơn 25 % so với E-glass và sợi
Basalt còn tương thích với hầu hết các loại nhựa như epoxy, polyester, nhựa vinyl
ester, phenolic, melamine, acrylate, và hệ nhựa polyurethane [21].
3
Theo nghiên cứu của N.M. Chikhradze và cộng sự, 2012 khi so sánh các tính
chất của sợi basalt và các sợi truyền thống khác, chẳng hạn như thủy tinh glass, sợi
carbon thì sợi basalt có tính chất cơ học gần tương đương với sợi thủy tinh loại tốt. Kết
quả thể hiện trong bảng 1.2 [15].
Bảng 1.2. Các tính chất của các sợi gia cường [15]
(Chikhradze NM, Japaridze LA, Abashidze GS. Properties of Basalt Plastics and of Composites
Reinforced by Hybrid Fibers in Operating Conditions. 2012;(Table 2):221–46.)
Năm 2013 P. Amuthakkannan và các đối tác của mình nghiên cứu về ảnh
hưởng của chiều dài sợi và chất xơ sợi basalt trên tính chất cơ học của vật liệu
composite chế tạo trên nền nhựa polyester, kết quả các đặc tính của các vật liệu tổng
hợp cho thấy chiều dài sợi là có ảnh hưởng đáng kể trên các tính chất cơ học của vật
liệu composite và cũng như hàm lượng xơ. Tỷ lệ trọng lượng chất xơ tối ưu của 68%
sợi và chiều dài tối ưu của sợi 10 mm đã được khảo sát. Độ bền kéo của vật liệu
composite sợi basalt cho thấy rằng với 68% chất xơ và 10 mm chiều dài của sợi có đặc
tính tốt hơn so với độ dài khác của sợi. Độ bền uốn của vật liệu composite cũng cho
thấy tính chất tốt hơn trong 68% chất xơ và 10 mm chiều dài của sợi [10].
Như đã đề cập ở trên, vật liệu gia cường sợi basalt là thân thiện môi trường và
không độc hại. Sợi basalt liên tục được sản xuất từ đá basalt sử dụng nguyên liệu thành
phần duy nhất bằng cách kéo cuộn sợi từ sự tan chảy. Một khi các sợi basalt liên tục đã
được sản xuất, chúng sẽ được chuyển đổi thành một dạng phù hợp cho các ứng dụng
cụ thể. Sợi basalt liên tục có thể được xử lý dạng sợi thô hoặc băm nhỏ sợi basalt.
Ngoài ra sợi basalt thô có thể được chế tạo thành dạng vải sợi thô hoặc tấm gia cường
[21].
Chính vì vậy, nghiên cứu khả năng ứng dụng sợi basalt trong chế tạo vỏ tàu
composite nhằm nâng cao chất lượng của vật liệu làm vỏ tàu, giảm thiểu tác hại đến
sức khỏe con người khi thi công và ô nhiễm môi trường là vấn đề cấp thiết. Trong
công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhiều lĩnh vực công nghệ được chú
trọng trong đó có công nghệ vật liệu mới, nên đề tài này sẽ góp phần mở rộng nguồn
4
nguyên liệu làm vỏ tàu composite tại nước ta, nâng cao chất lượng của vật liệu nhằm
thu hút người sử dụng.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, hiện nay các công trình nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng sợi
basalt làm vật liệu gia cường cho vật liệu composite làm vỏ tàu ở nước ta vẫn chưa
được công bố.
Chính vì vậy, nghiên cứu khả năng ứng dụng sợi basalt trong chế tạo vỏ tàu
composite nhằm nâng cao chất lượng của vật liệu làm vỏ tàu, giảm thiểu tác hại đến
sức khỏe con người khi thi công và ô nhiễm môi trường là vấn đề cấp thiết. Trong
công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhiều lĩnh vực công nghệ được chú
trọng trong đó có công nghệ vật liệu mới, nên đề tài này sẽ góp phần mở rộng nguồn
nguyên liệu làm vỏ tàu composite tại nước ta, nâng cao chất lượng của vật liệu nhằm
thu hút người sử dụng.
1.3. Mục tiêu, phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu
1.3.1. Mục tiêu và mục đích nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu khả năng ứng dụng sợi basalt thay thế sợi thủy
tinh trong công nghiệp đóng tàu composite trên nền nhựa polyester không no, với mục
đích tìm kiếm loại vật liệu mới nhằm thay thế vật liệu composite đang sử dụng trong
đóng tàu vẫn còn nhiều hạn chế.
1.3.2. Nôi dung nghiên cứu và bố cục của đề tài
Từ mục tiêu và mục đích nghiên cứu đã trình bày, nội dung đề tài tập trung vào
việc chế tạo mẫu và thử nghiệm xác định các thông số vật liệu và các đặc tính cơ học
của kết cấu vật liệu composite gia cường cốt sợi basalt như đề xuất và sử dụng các
thông số vật liệu này để so sánh với vật liệu composite gia cường cốt sợi thủy tinh
đang dùng trong công nghiệp đóng tàu hiện nay. Trên cơ sở đó rút ra kết luận về khả
năng ứng dụng sợi basalt thay thế sợi thủy tinh trong công nghiệp đóng tàu composite
trên nền nhựa polyester không no.
Từ những trình bày trên đây bố cục của đề tài được cấu thành như sau:
Chương 1: Phần tồng quan
Nội dung chương trình bày tổng thể về đề tài, lý do chọn đề tài, mục tiêu, đối
tượng, phạm vi nghiên cứu, phân tích đánh giá các công trình nghiên cứu liên quan
5
đến đề tài luận văn đã được công bố trong và ngoài nước, xác định mục tiêu của đề tài,
nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết và thiết bị
Nội dung chương sẽ trình bày những cơ sở lý thuyết cần thiết liên quan đến việc
thực hiện đề tài, lý luận và giả thuyết khoa học, tập trung vào các nội dung như giới
thiệu về các vật liệu liên quan là composite, nhựa polyester, sợi thủy tinh, sợi basalt và
các trang thiết bị phục vụ quá trình thử nghiệm vật liệu.
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Đây là chương chính của đề tài trình bày quy trình thực nghiệm, những kết quả
nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng ứng dụng sợi basalt thay thế sợi thủy tinh trong
công nghiệp đóng tàu composite trên nền nhựa polyester không no theo quan điểm sức
bền và kinh tế.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
1.3.3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài là kết hợp giữa phương pháp
nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, trên cơ sở chế tạo mẫu và thử
nghiệm xác định cơ tính của vật liệu đề xuất và ứng dụng các thông số vật liệu đã xác
định xem xét khả năng ứng dụng, thay thế trong ngành công nghiệp tàu thủy.
1.3.3.1. Nghiên cứu lý thuyết
- Lý thuyết chung về vật liệu composite.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu composite.
- Nghiên cứu vật liệu nền là nhựa polyester không no.
- Nghiên cứu vật liệu cốt là sợi thủy tinh và sợi basalt.
- Nghiên cứu một số quy phạm, quy chuẩn hiện hành về vật liệu composite
trong đóng tàu.
1.3.3.2. Nghiên cứu thực nghiệm
- Chế tạo và thử nghiệm cơ tính các tổ hợp vật liệu composite cốt sợi basalt và
composite cốt sợi thủy tinh.
- Xác định độ bền kéo, nén, uốn trên máy kiểm nghiệm cơ tính vạn năng CHT
4206 và HOUNSFIELD Model H50KS.
- Xác định độ bền va đập trên máy TINIUS OLSEN.
- Xác định độ mài mòn, độ hấp thụ nước của vật liệu.
6
1.3.4. Giới hạn nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ học của vật liệu composite cốt sợi basalt.
- Nghiên cứu lựa chọn các tổ hợp vật liệu composite cốt sợi basalt và sợi thủy
tinh phù hợp.
- Pha nền là nhựa polyester 9509, pha cốt là sợi basalt và sợi thủy tinh.
- So sánh các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật sử dụng vật liệu composite cốt sợi
basalt với vật liệu composite cốt sợi thủy tinh thông thường.
7
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT BỊ
2.1. Vật liệu composite
2.1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hiện đại dẫn đến nhu cầu to lớn về những
vật liệu đồng thời có nhiều tính chất cần thiết mà các vật liệu truyền thống khi đứng
riêng rẽ không thể có được. Vật liệu kết hợp hoặc vật liệu composite ra đời năm 1950
đáp ứng được nhu cầu cấp bách đó. Thực ra khái niệm composite không phải hoàn
toàn mới. Composite là loại vật liệu có ít nhất hai thành phần hoặc hai pha riêng biệt,
nghĩa là các loại gạch được làm từ bùn và rơm thời cổ đại cũng là một dạng composite.
Bê tông dùng trong xây dựng cũng là vật liệu composite với các thành phần là đá, cát
và cement. Bên cạnh các vật liệu composite nhân tạo là một số vật liệu composite tự
nhiên như sương, các loại gỗ…
Trong những năm gần đây, các sản phẩn bằng vật liệu composite nhân tạo gia
tăng rất nhanh. Thực tế ở nước ta hiện nay đang trong giai đoạn bùng nổ về công
nghiệp đóng tàu vỏ composite. Dự báo trong tương lai nhu cầu về vật liệu composite
sẽ tăng liên tục.
2.1.2. Định nghĩa và phân loại
a) Định nghĩa:
Composite là một hỗn hợp gồm ít nhất hai pha hay hai thành phần vật liệu. Sự kết hợp
này nhằm hạn chế nhược điểm của vật liệu này bằng ưu điểm của vật liệu kia, tạo nên sản
phẩm có cơ tính khác hẳn các vật liệu ban đầu. Tuy nhiên định nghĩa này là chưa đầy đủ. Vật
liệu composite phải được xác định theo 3 tiêu chuẩn [6].
-
Cả hai chất thành phần phải có tỷ lệ hợp lý.
-
Chỉ khi các pha thành phần có cơ tính khác nhau và cơ tính của vật liệu
composite khác một cách đáng kể với cơ tính của vật liệu thành phần.
-
Trong vật liệu composite, các vật liệu thành phần không hòa tan hẳn vào
nhau.
Về phương diện hóa học, composite có hai pha (hoặc nhiều hơn) riêng biệt, được phân
ra bởi mặt phẳng phân cách riêng biệt. Thành phần liên tục tồn tại với khối lượng lớn hơn
trong composite được gọi là nền. Theo quan điểm thông thường các đặc tính của nền được cải
thiện nhờ sợ phối hợp với các thành phần khác để tạo nên vật liệu composite. Composite có
thể có nền là gốm, kim loại hoặc polymer. Cơ tính của ba loại nền khác nhau đáng kể, các
8
polymer có sức bền và môđun đàn hồi thấp, gốm cứng vững và giòn, kim loại có sức bền và
môđun đàn hồi trung bình và có tính dễ kéo thành sợi.
Thành phần thứ hai được gọi là cốt, có tác dụng làm tăng cơ tính cho vật liệu
nền. Thông thường cốt cứng hơn, khỏe hơn và có độ cứng vững cao hơn vật liệu nền.
Đặc trưng hình học của pha gia cường là một trong những thông số chính xác để xác
định tính có hiệu quả của vật liệu gia cường, hay cơ tính của vật liệu composite là một
hàm của hình dáng và kích thước của sợi vật liệu gia cường. Vật liệu gia cường thường
ở dưới dạng sợi hay hạt [6].
b) Phân loại:
Theo bản chất vật liệu nền, vật liệu composite được chia làm 3 nhóm:
(1) Composite nền kim loại (như hợp kim nhôm, hợp kim titan) với cốt là các dạng:
sợi kim loại, sợi khoáng.
(2) Composite nền khoáng (gốm) với cốt là các dạng: sợi kim loại, hạt gốm.
(3) Composite nền polymer (nhựa, cao su..).
Theo hình dáng vật liệu cốt :
-
Vật liệu composite cốt sợi : gồm các composite có cốt ở dạng sợi, sợi
được sử dụng có thể ở dạng liên tục, có thể ở dạng gián đoạn (sợi ngắn, sợi
băm)
-
Vật liệu composite cốt hạt : Gồm các composite có cốt ở dạng hạt.
Chất gia cường dạng hạt có kích thước xấp xỉ nhau theo mọi hướng. Dạng của hạt gia
cường có thể là cầu, khối hay bất cứ dạng nào khác. Sự sắp xếp các hạt gia cường có thể là
ngẫu nhiên hay theo một hướng định trước, và đặc tính này cũng được dùng như một phần
của sơ đồ phân loại. Đa số vật liệu composite cốt hạt, hướng của hạt là ngẫu nhiên.
Vật liệu gia cường dạng sợi được đặc trưng bởi tỉ lệ giữa chiều dài sợi và diện
tích mặt cắt ngang, tuy nhiên tỉ số này (tỉ số bề mặt) có thể biến đổi đáng kể. Vật liệu
composite một lớp sợi dài với tỉ số bề mặt cao cho ta vật liệu được gọi là composite có
sợi gia cường liên tục, ngược lại composite sợi không liên tục được chế tạo từ các sợi
ngắn với tỉ số bề mặt thấp. Hướng thường gặp trong composite sợi liên tục được gọi là
đồng phương và có thể tường đương với composite vải hai hướng.
Composite nhiều lớp là thuật ngữ khác của composite cốt sợi. Loại này được
phân loại theo lớp hoặc theo sợi lai. Tấm là những kết cấu phẳng được tạo nên bằng
9
cách xếp các lớp theo một sự tiếp nối đặc biệt. Một tấm điển hình có thể có từ 4-40 lớp
và hướng sợi thay đổi trong từng lớp theo một quy luật xuyên suốt chiều dày của tấm.
Hybrid là composite nhiều lớp với sợi gia cường được phối hợp với nhau. Các
loại sợi này có thể được phối hợp trong từng lớp hoặc theo từng lớp khác nhau và các
composite này được thiết kế nhằm tạo ra các thành phần cơ tính khác nhau của cùng
một tấm composite. Ví dụ như phối hợp giữa sợi các bon và sợi thủy tinh trong
composite nền polymer sẽ vừa làm cho sản phẩm có giá thành vừa phải (do sợi thủy
tinh rẻ) vừa có độ bền cao (do cơ tính của sợi các bon cao).
Hiện nay chỉ có vật liệu composite với nền nhựa là polymer và cốt dạng chất
khoáng được sử dụng phổ biến nhất. Danh từ vật liệu composite nói chung thường
được dùng để chỉ loại vật liệu này. Do vậy trong thực tế khi nói đến từ vật liệu
composite mà không giải thích gì thêm, chúng ta có thể ngầm hiểu rằng đó là vật liệu
composite với nền là nhựa polymer, cốt là chất khoáng [6].
2.1.3. Tính chất vật liệu composite
Sự khác nhau cơ bản của vật liệu composite với các vật liệu khác là ở chỗ tính
không đồng nhất và dị hướng của nó. Chính điều này làm cho việc tính toán kết cấu
composite rất phức tạp, tốn nhiều công sức nhưng độ chính xác lại không cao.
Tính không đồng nhất: Đây là đặc trưng cơ bản của vật liệu composite, tính
không đồng nhất thể hiện ở sự khác nhau về các tính chất của các phần tử khác nhau
trong cùng vật liệu composite. Trong chế tạo vật liệu composite không đồng nhất, hư
hỏng ban đầu sẽ xuất hiện ở khu vực có sức bền kém nhất, do vậy ảnh hưởng đến sức
bền kết cấu.
Tính dị hướng: Đây là tính chất khác biệt rõ nhất của vật liệu composite với vật
liệu thông thường. Do đặc điểm cấu tạo của mình, khi chịu lực theo những phường
khác nhau, sức bền của vật liệu composite sẽ thay đổi rất lớn.
Hướng của cốt trong nền ảnh hưởng đến tính đẳng hướng của composite. Khi
cốt dạng hạt đồng đều, composite có ứng sử cơ học như vật liệu đẳng hướng, tức là các
tính chất đàn hồi không phụ thuộc vào hướng. Khi kích thước của cốt khồng đều
composite có ứng sử cơ học tựa đẳng hướng nếu cốt được phân bố ngẫu nhiên. Trong
các trường hợp khác quá trình chế tạo có thể làm lệch hướng của cốt và do đó làm mất
tính đẳng hướng của vật liệu, composite tạo nên được gọi là bất đẳng hướng.
10
Trong các kết cấu được chế tạo từ composite cốt sợi liên tục như các tấm nhiều
lớp hay các tấm đồng phương, tính bất đẳng hướng được sử dụng để tạo cho kết cấu có
khả năng chịu lực tốt nhất theo một phương nào đó. Như vậy thuận lợi chủ yếu của vật
liệu composite là khả năng điều khiển tính đẳng hướng của kết cấu theo thiết kế và thi
công [6].
2.1.4. Công nghệ chế tạo vật liệu composite
Có nhiều phương pháp gia công chế tạo vật liệu:
Gia công dưới áp suất.
Gia công đúc ép nóng: Nhựa hay sợi độn được trộn đều cho vào khuôn đúc
dưới áp suất và nhiệt độ cao. Sản phẩm định hình ba chiều.
Đúc ép nguội: Chất độn trộn với nhựa nạp liên tục và kéo qua lõi có gia nhiệt,
nhựa đóng rắn một phần hay hoàn toàn khi qua lõi tạo hình.
Đúc tiêm: Độn cho vào khuôn rồi tiêm nhựa lỏng vào, sau đó gia nhiệt để đóng
rắn. Cũng có thể trộn đều nhựa chất đóng rắn, độn rồi tiêm vào khuôn đồng thời phản
ứng đóng rắn xảy ra.
Phương pháp ép phun: Vật liệu được tăng cường bằng sợi xơ ngắn được định
hình trước nếu cần, được đặt vào khuôn, sau đó khuôn được đóng lại kẹp chặt và nhựa
được phun vào từ một đầu trộn.
Phương pháp phun chân không: Nhựa được đưa vào khuôn bằng cách hút chân
không. Phương pháp này hút bọt khí rất tốt.
Gia công áp suất thường.
Gia công bằng tay: Dùng cọ hay con lăn quét nhựa lên khuôn đã phủ chất
chống dính sau đó đặt vải lên rồi quét nhựa, dung con lăn đuổi bọt khí và ép chặt, lần
lượt đắp đến đạt bề dày yêu cầu.
Phun phủ nhựa sợi: Sợi thô được cắt ngắn phun cùng lúc với nhựa tuần tự cho
đến khi đạt bề dày yêu cầu, dùng con lăn đuổi bọt khí và ép chặt.
Cuộn sợi: Sợi được kéo qua bể chứa nhựa cho thấm nhựa trước, sau đó cuộn
phủ lên bề mặt khuôn.
Túi chân không, túi áp suất: Xếp sợi đã được tẩm nhựa vào khuôn rồi phủ lên
một lớp túi mềm dẻo. Hút chân không bên trong, các sợi sẽ ép vào trong, tách bọt ra
sản phẩm hình thành gọi là phương pháp túi chân không.
11
Ly tâm: Xếp sợi đã tẩm vào khuôn tròn sau đó quay ly tâm, lực ly tâm sẽ định
hình sản phẩm.
Phương pháp kết tủa: Áp dụng cho composite nền kim loại độn được gia cường
kết hợp với nhựa nền bằng kết tủa hóa học.
Một số phương pháp gia công phổ biến [1]
(1) Lăn ép bằng tay
+ Các bước tiến hành:
Chuẩn bị bề mặt khuôn.
Quét gelcoat vào khuôn.
Sắp xếp vật liệu gia cường vào khuôn.
Điền nhựa vào khuôn.
Lăn ép cho đến khi đạt độ dày mong muốn.
Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ lăn ép bằng tay [1]
+ Ưu điểm:
Đơn giản, thiết kế linh động, dễ dàng thay đổi.
Gia công được những sản phẩm lớn, phức tạp.
Chi phí đầu tư thiết bị thấp, dụng cụ rẻ tiền.
+ Nhược điểm:
Sản phẩm chỉ có một bề mặt nhẵn.
Thời gian đóng rắn thường dài.
Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào kỹ năng thao tác và bề mặt khuôn.
Nhựa yêu cầu có độ nhớt thấp, ảnh hưởng đến tính chất có học, tính chất
nhiệt do cần phải có chất pha loãng.
Cần chú ý đên an toàn sức khỏe.
12
